Operação De Um Motor Dc Com Escovas Como Um Gerador

Pode ser uma surpresa para os engenheiros de design que os motores DC com escovas e DC sem escovas (BLDC) possam operar como geradores. Um motor DC com escovas é apropriado para aplicações de gerador que requerem uma saída de tensão DC, enquanto um motor DC sem escovas é adequado para aplicações de tensão CA. Se estiver usando um BLDC para saída de tensão DC, é necessário um circuito de retificação de tensão. Se estiver usando um motor DC com escovas para saída CA, são necessários inversores de DC para CA.

Este artigo examina as relações básicas entre velocidade, tensão, torque e corrente ao usar um motor DC com escovas como gerador.

INTRODUÇÃO

À medida que o rotor de um motor gira em um campo magnético, a força eletromotriz induz uma tensão nos enrolamentos do rotor denominada "força contraeletromotriz". A constante de força contraeletromotriz (KE), dada em mV/rpm, é um valor indicado na folha de especificações do motor. O valor da força contraeletromotriz (Ui) é diretamente proporcional à velocidade angular (ω) da rotação do eixo do motor e é dado como:

Ao operar o motor como um gerador, o eixo é mecanicamente acoplado e girado por uma fonte externa, fazendo com que os segmentos da bobina no rotor girem através de um fluxo magnético sinusoidalmente variável na folga de ar. Cada volta do enrolamento do rotor é induzida com tensão senoidal, com a velocidade de rotação e a ligação do fluxo magnético determinando a magnitude da tensão. Por exemplo, se uma bobina de rotor consiste em uma volta, a força contraeletromotriz é senoidal com um período igual a um ciclo elétrico.

Projetado assim, um rotor DC com escovas é enrolado em um número ímpar de segmentos (3, 5, 7, etc.) e fornece energia para as bobinas por meio de um par de escovas. Quando o eixo é girado no modo de geração, a voltagem da força contraeletromotriz gerada é medida nos terminais de saída. Com base nas propriedades do design do motor (que inclui o número de segmentos da bobina), uma ondulação de tensão normalmente está presente e, em geral, representa menos de 5% da tensão de saída.

Uma vez que a tensão de saída é uma função da velocidade do eixo, a constante de força contraeletromotriz (KE) deve ser selecionada para satisfazer a Eq. 1 ao selecionar um motor para ser usado como gerador. Sem considerar a carga, a constante de força  . Se a velocidade de eixo atingível não atingir uma força contraeletromotriz suficiente, uma caixa de redução adequada pode ser adicionada para aumentar a velocidade no eixo do motor, desde que os parâmetros de velocidade máxima permitida do motor não sejam excedidos.

TENSÃO TERMINAL, CORRENTE MÁXIMA E RESISTÊNCIA DE CARGA

A Figura 1 mostra que a tensão gerada no terminal (Ui) do motor é diretamente proporcional à velocidade angular do rotor quando a carga (Rcarga) não está conectada nos terminais. Nesta condição, a corrente que passa pelo motor é zero. Quando uma carga é conectada ao terminal do motor, a corrente flui e a tensão é reduzida dependendo da resistência total da carga. A tensão terminal (UT) quando a carga está conectada e a corrente (Icarga) está fluindo pelo circuito é dada como:

Para uma velocidade angular fixa do eixo do motor, conforme a corrente de carga aumenta, a tensão terminal diminui (Eq. 3). Quando a força contraeletromotriz é igual à queda de tensão resistiva nos terminais, a tensão do terminal se torna zero.

A Figura 2 mostra o gráfico da corrente de carga versus tensão terminal de um motor DC com escovas ideal para um gerador. Quando os terminais do motor não estão conectados, UT é igual Uie a corrente não flui pelos enrolamentos do rotor. Quando os terminais estão em curto-circuito, a quantidade máxima de corrente flui pelo circuito e UT se torna zero.

A corrente máxima que flui pelo circuito pode ser calculada como:

Quando todos os outros parâmetros são constantes, se a velocidade angular no eixo do motor aumenta, o gráfico da Fig. 2 se desloca para a direita com a mesma inclinação, aumentando tanto Ui quanto Imáx. Na Eq. 5, a resistência inerente dos enrolamentos do motor (Rrotor) é o fator limitante para a corrente máxima no modo gerador. Se Rrotor for alta, a sensibilidade do sistema gerador aumenta e a variação de tensão resultante com a corrente consumida cria um sistema instável. Um motor com uma constante de força contraeletromotriz superior e resistência inferior fornecerá uma operação estável.

ACIONAMENTO DO TORQUE E EQUILÍBRIO DE POTÊNCIA

Quando um motor é acionado no modo gerador com terminais abertos, nenhuma corrente flui pelo circuito e o atrito mecânico gera perdas na unidade de acionamento. Esta condição é semelhante à operação do motor sem carga.

A equação de torque (M) para um motor é dada como

O gerador deve ser acionado com um torque que gerará a corrente de carga necessária no enrolamento quando os terminais forem fechados no resistor de carga (Rcarga). A seleção do motor é limitada pela quantidade máxima de torque que pode ser aplicada ao eixo no modo gerador. A operação de um motor DC com escovas é limitada pelo torque máximo contínuo (térmico e mecânico) e pela velocidade contínua máxima (mecânica e elétrica) disponíveis. Selecionar um motor que pode lidar com o torque do gerador no eixo e gerenciar a corrente máxima pelo seu circuito é semelhante ao processo de dimensionar um motor com base nos pontos de carga desejados.

Em estado estacionário, a potência mecânica de entrada para o gerador pode ser representada como:

A potência elétrica de saída em qualquer corrente de carga e tensão terminal pode ser representada pela área retangular sob a inclinação, conforme mostrado na Fig. 2.

A potência de saída é máxima quando UT é metade de Ui. Neste ponto, a corrente de carga da carga I é a metade da corrente máxima Imáx.

Portanto,

Um motor usado para fins de gerador não deve ser escolhido apenas por considerações de energia. Idealmente, Pmáx deve ser sempre maior do que a potência elétrica de saída necessária do gerador. Dependendo do valor da corrente de carga, o ponto de carga no gráfico da Fig. 2 pode se mover ao longo do eixo X. Assim, a saída de energia real (Preal) pode ser menor que Pmáx Ao selecionar o motor certo para ser usado como gerador, Preal deve ser levada em consideração e não Pmáx. Isso pode exigir a seleção de um motor com uma classificação mais alta.

A eficiência do gerador pode ser determinada como:

SELEÇÃO DE UM MOTOR COMO GERADOR

Exemplo 1: este exemplo analisa a seleção de um motor DC com escovas da série Athlonix da Portescap para uma aplicação de gerador. A constante de força contraeletromotriz do motor 17DCT da série Athlonix com bobina 209P é 1,17 mv/RPM. As curvas características do motor estão representadas na Fig. 3. Se este motor for usado como um gerador a 5.000 RPM de velocidade do eixo, a força contraeletromotriz de saída seria de 5,85 V. (Eq. 1)

A corrente de carga máxima no circuito sob condição de curto-circuito seria de

Este valor de Imáx. excede a corrente contínua máxima do motor (0,55 A). Isso pode ser aceitável para operação intermitente, que é determinada pela constante de tempo térmica do motor e o ciclo de trabalho esperado. Para operação contínua do gerador, uma resistência de carga (Rcarga) é recomendada usando a equação:

Em que, Icont é a corrente contínua máxima do motor.

Portanto, se uma resistência de carga de >3 Ω pode ser usada no gerador, a bobina 209P é boa para uma velocidade de entrada de até 5.000 RPM. Se a resistência de carga não puder ser usada devido a limitações mecânicas ou técnicas, ou se a velocidade de entrada for superior a 5.000 RPM, outra bobina deve ser escolhida. Por exemplo: a bobina 211P pode ser a melhor opção para este requisito.

Exemplo 2: a força contraeletromotriz do motor Portescap 16C18 com bobina 205P é de 0,70 mV/RPM. A 10.000 RPM, a tensão de saída do circuito aberto no terminal é de 7,0 V.

Em condição de curto-circuito, a corrente máxima que pode fluir pelos enrolamentos é de

que é menor que a corrente contínua máxima (Icont) do motor. Portanto, usar este motor como um gerador a 10.000 RPM de velocidade do eixo é aceitável sem considerar uma carga de resistência externa.

As características de saída para o motor 16C18 em diferentes velocidades de eixo estão representadas na Fig. 4.

A área sombreada é a área de operação contínua. Para operações intermitentes, vários fatores como aumento de temperatura máxima, velocidade máxima do eixo, limite mecânico do motor e vida útil do gerador devem ser considerados.

As Figuras 5 e 6 mostram que a eficiência do 16C18 é relativamente maior em correntes mais baixas do gerador. Na potência de saída máxima, a eficiência de saída é próxima a 50%. É ideal selecionar um gerador com ponto de trabalho próximo à eficiência máxima. Isso garante que as perdas no sistema sejam minimizadas e que a potência mecânica de entrada reduzida seja necessária para gerar as características de tensão-corrente de saída desejadas.

CONCLUSÃO

É frequente a concepção errônea de que um motor DC com escovas operando no modo de geração não é tão eficiente quanto sua operação como um motor. No entanto, uma eficiência razoavelmente alta pode ser alcançada com a seleção adequada do motor, cargas e velocidade de operação. Os fatores elétricos e mecânicos devem sempre ser considerados na determinação dos pontos de operação. Engenheiros de aplicação especializados com experiência extensa em design estão disponíveis para consulta para a seleção do motor adequado para uma variedade de aplicações, como geradores de tacômetro, queima de argamassa e coletores de energia.

ENTRE EM CONTATO COM UM ENGENHEIRO

Figura 1 - Circuito equivalente de um motor DC como gerador
Figura 2 - Gráfico de corrente de carga x tensão terminal
Figura 3 - Área de trabalho do motor 17 DCT da Portescap
Figura 4 - Características da tensão-corrente do 16C18
Figura 5 - Características da potência de saída do 16C18
Figura 6 - Características da eficiência do 16C18